Simulační prostředí TRNSYS

Součásti programu TRNSYS
Programový balíček TRNSYS obsahuje několik programů. Nejpoužívanější součástí je uživatelský interface IISiBat, který slouží pro vkládání a spojování jednotlivých modulů, k definování jejich parametrů a k tvorbě zdrojového souboru *.DCK. Vlastní výpočetní program TRNSYS zpracovává zdrojový soubor *.DCK a vrací do IISiBat výsledky. Program TRNSHELL umožňuje přístup k zdrojovým souborům jednotlivých modulů (psaných v jazyce Fortran) a jejich úpravu či tvorbu nových vlastních modulů. Další důležitou součástí je program PREBID, který slouží k definování tepelně technických vlastností vícezónové budovy a jejích provozních režimů. Je možné používat i další nadstavbové programy pro přípravu vstupních souborů pro PREBID. Například SimCAD pro tvorbu geometrického modelu budovy na základě *.DXF výkresu půdorysu.

Obr. 1: Posloupnost vytváření a simulace vícezónového objektu v TRNSYS-u

Tvorba energetického systému
Vlastnímu vytváření energetického systému v TRNSYS, resp. v IISiBat, by měla předcházet teoretická analýza řešeného problému, včetně nákresu reálného systému s popisy toku energií v něm. Důležitým hlediskem je také určit "detailnost" simulace. Program umožňuje nastavovat u některých modulů veškeré možné parametry, je však potřeba znát vliv jednotlivých parametrů na chování modulu a hlavně znát hodnotu těchto parametrů pro konkrétní modul a řešený příklad (např. modifikátor úhlu dopadu u kolektorů slunečního záření, závislost spotřebu el. energie u čerpadel v závislosti na průtoku apod.).
Každý prvek je charakterizovaný vstupními a výstupními veličinami. Veličiny jsou rozděleny do tří skupin. PARAMETERS - jsou veličiny, které se v průběhu simulace nemění a lze je nastavit před začátkem simulace. INPUTS - veličiny které se mohou (ale nemusí) v průběhu výpočtu měnit. OUTPUTS - výstupy z modulů, které slouží jako vstupy do dalších nebo jsou požadovaným výsledkem simulace. Výsledky simulace je možné zapsat jednak do datového souboru pro následné zpracování pomocí libovolného tabulkového procesoru a zároveň je možné online sledovat průběh simulace, resp. průběh libovolných vybraných veličin.

Prvky se vzájemně propojí tak, aby vytvořily požadovaný energetický systém pomocí vstupních (INPUTS) a výstupních (OUTPUTS) veličin (obr. 2).

Obr. 2: Příklad zapojení pro samotnou vícezónovou budovu

Obr. 3: Vícezónový objekt v IISiBat-u s energetickým systémem

Z výsledků takovéto simulace je pak možné získat velké množství informací jak o chování celého systému, tak o vlivu jednotlivých komponentů na jeho funkci a celkové energetické zisky (velikost akumulační nádoby, průtok teplonosné látky, nastavení spínacího rozdílu teplot apod.).

Výstupem simulace je také popis dynamického chování vytvořeného systému v určených časových intervalech v časovém rozmezí až jednoho roku. Například průběhy teplot a tepelných ztrát jednotlivých zón budovy, energetické bilance solárních soustav v závislosti na čase.

Tyto výsledky pak mohou sloužit nejen k optimalizaci tepelně technických vlastností celé budovy (materiálové složení jednotlivých konstrukcí i s ohledem na akumulaci), ale také k optimalizaci jednotlivých komponentů energetického systému.

Obr. 4: Příklad online grafického znázornění výsledků simulace v prostředí TRNSYS 15: Průběh
tepelných ztrát celého objektu a teploty v zimní zahradě u tří řadových rodinných domků
z obr. 3 v prvním únorovém týdnu (při nejnižších ročních venkovních teplotách)

UKÁZKY VYUŽITÍ SIMULAČNÍHO PROGRAMU TRNSYS 15

Využití programu je popsané na dvou příkladech výpočtu tepelných ztrát a zisků budov.

V prvním případě se jedná o rekonstrukci skleníkové haly a laboratorních prostor v Nových Hradech. Pomocí programu se počítaly tepelné ztráty objektu a možné energetické zisky z kolektorových polí, umístěných na jižně orientované střeše skleníkové haly. Celkový objem objektu je 4130 m³ a užitné plochy 1165 m². Kolektorové pole má plochu 32 m². Ze simulace vyšly maximální ztráty objektu na 35,63 kW a celoroční potřeba energie na 88,77 MWh. Z kolektorů je možné získat 34,35 MWh energie.

Obr. 5: Porovnání měsíční energetické náročnosti objektu s energií získanou z kolektorů

Druhým příkladem je simulace navrhovaného školicího střediska pro obnovitelné zdroje energie. Objekt má splňovat kritéria pro zařazení k nízkoenergetickým budovám. Energetické potřeby objektu by se při jeho provozu měly krýt, v co možná maximální míře, využíváním aktivních a pasivních solárních technologií. Aktivní solární prvky budou součástí trivalentního vytápěcího systému. Vytápěcí systém bude ještě obsahovat tepelné čerpadlo voda - voda a kotel na biomasu. Při vytváření studie objektu se bral ohled na předběžné výsledky simulace, která probíhala ve dvou fázích.

I. Fáze (vytvoření modelu objektu a optimalizace skladby stěn)
Model objektu vytvořený v programu SimCAD se načítal programem PREBID, kde se modifikují vlastnosti stěn a mění nebo doplňují parametry ovlivňující teplotní režim jednotlivých zón objektu (infiltrace, ventilace, interní energetické zisky, požadovaná teplota v zóně atd.). Těmito jednoduše prováděnými modifikacemi s možností výpočtu maximální tepelné ztráty v daném programu podle normy DIN 4701 byla optimalizována skladba použitých konstrukcí.

Obr. 6: 3D model vytvořený v programovém prostředí SimCAD

II. Fáze (vytvoření modelu objektu a optimalizace skladby stěn)
Pro detailní zjištění energetické bilance (ztrát, zisků) objektu, s ohledem na zadané podmínky tepelné pohody jednotlivých zón budovy a dynamického chování navrhovaného solárního systému v čase v závislosti na pokrytí energetických potřeb objektu, byl vytvořen simulační model v programu IISiBat, integrující tři samostatné moduly:

• modul objektu
• modul kolektorového systému umístěného v jižním traktu objektu
• modul kolektorového systému umístěného v severním traktu objektu

Výsledkem simulace byl výpočet maximální tepelné ztráty objektu, určení jestli objekt splňuje kritéria podle normy ČSN 73 0540-2 pro zařazení k nízkoenergetickým budovám, celkové energetické zisky z kolektorových polí, energetická bilance ztrát a zisků a celoroční průběh teplot v zásobnících.

Nízkoenergetická budova podle požadavků normy ČSN 73 0540-2 má mít roční plošnou měrnou potřebu tepla na vytápění e_A ≤ 50 [kWh/m².a]
Roční plošná měrná potřeba tepla na vytápění celého objektu je e_A = 23 [kWh/m².a] ⇒ objekt splňuje požadavek pro zařazení k nízkoenergetickým budovám.

Obr. 7: Znázornění maximální ztráty objektu v průběhu dne

Obr. 8: Porovnání měsíční energetické náročnosti objektu s energií získanou z kolektorů

Obr. 9: Akumulování energie a její využívání v akumulačních nádržích v severním a jižním
traktu objektu v průběhu roku závislé na energetických potřebách objektu

Dynamické simulování pomáhá ověřit si v počátečních fázích projektování správnost navrhnutého konstrukčního řešení budov a technického řešení, použitých technologií na krytí energetických potřeb budov a také na základě výsledků simulace zpětně optimalizovat navrhnuté řešení.

Současný a budoucí výzkum
V současnosti probíhají práce na definování optických a energetických charakteristik střešního kolektoru SOLARGLAS 1 tak, aby bylo možné vytvořit jeho samostatný modul pro IISiBat (TRNSYS) a používat ho následně pro energetickou simulaci objektů s těmito kolektory. Určování těchto charakteristik probíhá na základě unikátního programu pro výpočet optických charakteristik aktivních a pasivních optických rastrů, který byl vyvinut přímo pro ENKI o.p.s. Následně se počítá se stejným postupem u fasádních kolektorů s lineární fresnelovou čočkou a u všech typů pasivních odrazných rastrů.